實(shí)際熱電制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及熱-電轉(zhuǎn)換過程研究.pdf

1、隨著大規(guī)模通信設(shè)備和和數(shù)據(jù)處理器的封裝微型化及接觸界面高熱流密度發(fā)展趨勢,以界面熱量傳遞為主的熱管理問題普遍存在。熱電制冷作為一項(xiàng)全固態(tài)主動(dòng)式界面冷卻技術(shù),噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、無制冷工質(zhì)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好,正好契合了部分特殊領(lǐng)域的發(fā)展需求而有了新的發(fā)展契機(jī)。然而,在目前還沒有高優(yōu)值系數(shù)熱電材料或某些新型熱電材料進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的背景下,如何對現(xiàn)有的熱電材料進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用已成為具有現(xiàn)實(shí)意義的重要研究課題。不僅如此,國外學(xué)者開始關(guān)注采用脈沖電源驅(qū)

2、動(dòng)熱電制冷系統(tǒng)獲得瞬態(tài)過冷強(qiáng)化作用,但研究人員主要側(cè)重于瞬態(tài)實(shí)現(xiàn)熱電過冷效應(yīng)的最大化(即以獲得最大瞬態(tài)溫差,或者最低瞬態(tài)過冷溫度為目標(biāo)),卻忽略了量化各參數(shù)作用的影響權(quán)重,以及在實(shí)際應(yīng)用中,強(qiáng)化制冷效應(yīng)在特征時(shí)間區(qū)域的熱穩(wěn)定性相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性研究。
　　課題來源于“國家自然科學(xué)基金委員會(huì)科學(xué)部主任基金”(No.51246005)、“2012年教育部博士點(diǎn)基金”(No.20120142110045)、中國科學(xué)院“低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開

3、放課題基金”(No.CRYO201121)、和“湖北省自然科學(xué)基金”(No.2011CD13288)。論文的主要工作是結(jié)合已有介紹的熱-電轉(zhuǎn)換機(jī)理,分別從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的角度出發(fā),系統(tǒng)討論分析了實(shí)際熱電制冷系統(tǒng)中多參數(shù)耦合作用下的制冷特性及其熱-電轉(zhuǎn)換過程,并嘗試對當(dāng)前新型的脈沖驅(qū)動(dòng)強(qiáng)化瞬態(tài)熱電制冷技術(shù)進(jìn)行了探索性研究。
　　首先,系統(tǒng)討論了熱電模塊在穩(wěn)態(tài)工況下的綜合影響因素及其熱-電轉(zhuǎn)換過程中的基本工作特性。分析結(jié)果表明:選

4、擇小截面的半導(dǎo)體制冷器件不僅不會(huì)對器件的整體制冷性能造成不利,且有利于節(jié)省材料。在工作條件和材料確定之后,制冷量只取決于“面積/長度”的比值(G因子),并且存在最佳推薦區(qū)間為0.06cm~0.15cm,使得熱電制冷器件的理論制冷量達(dá)到最佳工況。另外,以兩級為例,得到級間元件總數(shù)比值在推薦范圍2≤r≤4時(shí),相比單級模塊更能突出多級熱電堆的制冷效果優(yōu)勢。
　　其次,從實(shí)驗(yàn)的角度,對實(shí)際熱電系統(tǒng)在幾組變工況參數(shù)影響下的動(dòng)態(tài)制冷特性進(jìn)行了

5、分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過強(qiáng)化熱電模塊冷端熱沉與冷側(cè)介質(zhì)環(huán)境之間的熱交換強(qiáng)度,可以明顯提高基于瞬態(tài)界面效應(yīng)的帕爾貼制冷量在較短時(shí)間內(nèi)對目標(biāo)熱載荷作用的制冷效果。而當(dāng)熱端熱沉換為兩相熱虹吸式雙環(huán)路熱管,系統(tǒng)的制冷效率COP達(dá)到0.48,相比傳統(tǒng)散熱器結(jié)構(gòu)(風(fēng)扇+翅片的熱沉形式)的散熱性能,制冷器COP提高了78％。
　　再者,從理論分析的角度,針對實(shí)際熱電制冷系統(tǒng)建立了非穩(wěn)態(tài)熱傳遞能量守恒方程,并采用本征函數(shù)法和有限差分法相結(jié)合,獲得

6、了關(guān)于時(shí)間項(xiàng)和空間項(xiàng)的數(shù)值求解表達(dá)式。同時(shí),還通過改建的PWM性能測試臺(tái),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型對于突變電壓作用下的制冷性能趨勢預(yù)測的可行性和準(zhǔn)確性。
　　最后,在已建立的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,自定義構(gòu)造了脈沖波形函數(shù)作為模型中的電壓輸入信號,由此建立了描述脈沖驅(qū)動(dòng)模式作用的熱電制冷非穩(wěn)態(tài)模型。同時(shí),還引入了3個(gè)表征動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的特征時(shí)間,系統(tǒng)分析了脈沖特征參數(shù)對瞬態(tài)強(qiáng)化熱電過冷效應(yīng)的作用規(guī)律,并嘗試揭示了脈沖驅(qū)動(dòng)作用下的瞬態(tài)熱-電轉(zhuǎn)

7、換過程以及熱量分配機(jī)制。具體分析得到:從輸入電功的高效轉(zhuǎn)化目標(biāo)出發(fā),具有單調(diào)遞增趨勢的脈沖電壓相比單調(diào)遞減趨勢的脈沖電壓,更能保證實(shí)現(xiàn)更高效的熱-電轉(zhuǎn)化過程。而進(jìn)一步權(quán)衡脈沖波形的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢,以正弦波形最值得推薦,甚至超過了常用的方波形脈沖電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過冷強(qiáng)化作用效果。為了彌補(bǔ)冷側(cè)熱源削弱冷端界面制冷能力的不利影響,可以采取適當(dāng)延長脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)間或者增大脈沖突變幅度,以提供熱源更多的額外帕爾貼制冷量。以上分析為脈沖模式驅(qū)動(dòng)熱電制冷器的運(yùn)